心率變異性(HRV)是指逐次心跳周期差異的變化情況，它產生于自主神經系統對心臟竇房結的調制，是預測心臟性猝死和心律失常性事件的一個很有價值的指標。傳統對HRV的分析多是基于心電信號，而心電信號的采集過程較為復雜，因此我們設計了一種基于光電容積脈搏波(PPG)描記法的HRV分析系統，PPG信號通過單片機從人體手指端采集，數據經過USB轉串口模塊發送給上位機，上位機軟件將采集到的數據繪成波形圖并將數據存儲下來，以便日后HRV分析使用。該系統尺寸小、功耗低、操作簡單，適用于家庭和醫院的日常監護。
引用本文： 石磊, 孫朋, 龐宇, 羅志勇, 王偉, 王延項. 基于光電容積脈搏波描記法的心率變異性分析系統前端裝置設計*. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(1): 14-17. doi: 10.7507/1001-5515.20160004 復制
0 引言
心血管系統疾病是威脅人類生命安全的重大疾病，具有高發病率、高致殘率和高死亡率等特點[1]。根據世界衛生組織統計，全世界每年死于心腦血管疾病的人數高達1 500萬人，居各種死因首位。
心率變異性(heart rate variability，HRV)指逐次心跳周期差異的變化情況,它產生于自主神經系統對心臟竇房結的調制,反映了自主神經系統的活性，是預測心臟性猝死和心律失常性事件的一個很有價值的指標。光學容積描記(photoplethysmography，PPG)，也叫光電容積脈搏波描記法，是一種用來檢測組織微血管中血容量變化的光學測量方法[2-5]。傳統對HRV的分析多是基于心電信號，但是隨著光電技術在醫療應用中的擴大,人們對利用光電技術測量人體生理參數的研究也逐漸加強。1981年,Nijboer等提出影響PPG信號強度的因素包括血液容量、紅血球的位置和血管運動等。2011年，馬俊領等[6]發表了一篇題為《基于PPG的心率和呼吸頻率的測量研究》的論文，驗證了基于PPG信號計算的心率數據與利用心電監護儀測量的心率數據具有很強的相關性。2014年，韓國MEDICORE公司推出一款名為Body Checker的客觀測量精神壓力水平程度的分析系統，以The Task Force組織的理論標準為基礎，通過采集被測者的PPG信號來進行HRV分析，進而推算出被測者的心理壓力等一系列指標，但是該系統較為笨重，不方便攜帶，而且價格較為昂貴，不適合普通家庭使用[7]。基于此，我們設計了一種便攜式基于PPG的HRV分析系統，以期用于家庭和醫院的日常監護。
1 系統整體設計
該系統的設計基于高集成度和低功耗的STM8L101F3P6單片機，該款單片機的尺寸僅有3 mm×3 mm，供電范圍為1.65～3.6 V，低功耗模式下的工作電流僅有0.8 μA[8]。單片機的I/O端口驅動光頻轉換器工作，測試者將手指放入其中，系統開始工作，單片機將采集到的脈搏波數據通過USB轉串口芯片FT230發送給上位機軟件，可以方便醫生在電腦上對PPG信號進行記錄和分析[9]。本系統的設計充分考慮了功耗、尺寸以及成本等方面的要求，方便用戶的使用和攜帶，具有以下特點：
(1) 便攜式。比傳統的脈搏波檢測儀還要微型，長度大約為5 cm,寬度僅有1角硬幣直徑大小，便于使用者攜帶，硬件系統的實物圖如圖1所示。
圖1
系統實物圖
Figure1.
Photograph of the hardware system
(2) 低功耗。直流電源采用3 V的電壓給系統供電時，平均電流僅有11.6 μA。
(3) 操作簡單。使用者只需將該系統的USB端口插在電腦上，然后再打開上位機軟件，就可以清楚地觀察采集到的脈搏波波形。
(4) 采樣頻率為500 Hz。由于后期要對PPG信號作HRV分析，而心電信號的采樣頻率要求較高，所以設定500 Hz采樣頻率能夠很好地保證脈搏波信號記錄的準確性和完整性，保證信號在不失真的基礎上還可進行HRV分析。
2 硬件設計
2.1 系統結構
這一部分主要包括光頻轉換模塊、核心控制模塊、USB轉串口模塊、電源模塊以及上位機軟件模塊。系統的結構框圖如圖2所示。
圖2
系統結構框圖
Figure2.
Block diagram of the system
上位機除了充當系統的終端外，還為整個系統提供電力供應。上位機給整個系統提供5 V標準電壓，然而各模塊供電范圍有限制，因此需要先進行電壓轉換。電源模塊的核心是TI公司的TLV70033芯片，它是一款低壓差線性穩壓管理器，可固定輸出電壓3.3 V，尺寸小，價格低廉，在眾多電子產品開發中被廣泛使用[10]。
2.2 光頻轉換器原理
人體手指端的脈搏波信號由光頻轉換器采集，光頻轉換器的采集原理如圖3所示。
圖3
光頻轉換器工作原理
A：電平輸入端；B：電平輸入端；C：脈沖輸出端
Figure3. Working principle of the optical frequency converterA: level input; B: level input; C: pulse output
單片機的I/O端口驅動A、B兩端口，端口A為高電平、端口B為低電平時，近紅外發光二極管被點亮；端口A為低電平、端口B為高電平時，紅色發光二極管被點亮。人體的手指放在發光二極管和光接收板之間，心臟跳動時會引起血液濃度改變，間接影響光接收單元接收到的光強的大小。光接收單元將接收到的光強轉化為電脈沖頻率。使用單片機的定時器捕獲功能可以從C端捕獲到電脈沖，通過測量相鄰兩個上升沿的時間可以得知某點脈沖的頻率，而該頻率就反映了該點接收到的光強的大小。
2.3 核心控制及定時器捕獲模塊
這一部分主要由ST公司出品的STM8L101F3 P6單片機構成，實現電路系統控制。單片機外圍電路如圖4所示。該單片機的主要特點是16位通用定時器，16-MHz內部RC時鐘源，自動喚醒模塊。16位通用定時器。系統的主時鐘是由16-MHz內部高速RC時鐘源產生的，可以被可編程分頻計進行分頻處理以滿足系統需要。自動喚醒模塊可以用來將系統從待機模式中喚醒，為系統低功耗的實現提供了可能。
圖4
單片機外圍電路
Figure4.
MCU configuration
2.4 MCU程序設計
在單片機程序設計方面，考慮到低功耗的要求，系統上電完成初始化之后將會檢測是否有用戶在使用，若沒人使用，系統將進入低功耗模式；若有人使用，電路板上的綠色指示燈將會閃爍，同時單片機按照500 Hz采樣頻率進行PPG信號的數據采集。這里之所以設置采樣頻率為500 Hz是為了與心電信號的采樣頻率保持一致，以便后期進行HRV的分析研究。采樣時間設置為5 min同樣也是為了滿足臨床HRV標準。采樣結束后，綠色指示燈熄滅，系統重新進入低功耗模式，等待用戶的再次使用。系統的軟件流程圖如圖5所示。
圖5
軟件流程圖
Figure5.
Flow diagram of the software
3 系統調試和實驗結果
將系統的USB接口插到PC機上就會自動實現上電復位，打開串口調試助手軟件，找到相對應的COM端口，然后打開串口就可以接收到硬件系統發送來的PPG數據，我們截取了一段采集到的PPG數據如表1所示，數據的幀頭統一為0xF5，0x0A，后面緊跟的8位是紅光PPG數據，最后8位是近紅外光PPG數據。
表1
PPG數據
Table1.
Data of the PPG signal
我們采用Delphi編程工具編寫了一個用戶界面。采集到的紅光和近紅外光的波形圖如圖6所示。
圖6
PPG信號波形圖
Figure6.
Waveform of the PPG signal
我們可以看出波形總體效果較好，但是有一定的基線漂移，這是由于人體的呼吸等因素造成的，所以后期進行HRV分析時需要先對數據進行形態學濾波處理。
4 總結
在移動便攜式醫療中，人們一直希望找到一種在不犧牲信號質量的前提下盡可能減少儀器尺寸和重量的方法，最終使患者感覺不到監測儀器的存在和正在發生的生理信號采集[11]。本系統的設計以低功耗、便攜式和大容量實時存儲為目標，采用低功耗的STM8L101F3P6單片機，通過硬件選擇和軟件程序優化來完成低功耗高質量的PPG信號采集和存儲，真正實現了低功耗、微型化、便攜式和長期心電監護的目標。隨著無線通訊技術的發展，以后基于藍牙、WiFi的便攜式醫療設備相信會得到更為廣泛的應用。
0 引言
心血管系統疾病是威脅人類生命安全的重大疾病，具有高發病率、高致殘率和高死亡率等特點[1]。根據世界衛生組織統計，全世界每年死于心腦血管疾病的人數高達1 500萬人，居各種死因首位。
心率變異性(heart rate variability，HRV)指逐次心跳周期差異的變化情況,它產生于自主神經系統對心臟竇房結的調制,反映了自主神經系統的活性，是預測心臟性猝死和心律失常性事件的一個很有價值的指標。光學容積描記(photoplethysmography，PPG)，也叫光電容積脈搏波描記法，是一種用來檢測組織微血管中血容量變化的光學測量方法[2-5]。傳統對HRV的分析多是基于心電信號，但是隨著光電技術在醫療應用中的擴大,人們對利用光電技術測量人體生理參數的研究也逐漸加強。1981年,Nijboer等提出影響PPG信號強度的因素包括血液容量、紅血球的位置和血管運動等。2011年，馬俊領等[6]發表了一篇題為《基于PPG的心率和呼吸頻率的測量研究》的論文，驗證了基于PPG信號計算的心率數據與利用心電監護儀測量的心率數據具有很強的相關性。2014年，韓國MEDICORE公司推出一款名為Body Checker的客觀測量精神壓力水平程度的分析系統，以The Task Force組織的理論標準為基礎，通過采集被測者的PPG信號來進行HRV分析，進而推算出被測者的心理壓力等一系列指標，但是該系統較為笨重，不方便攜帶，而且價格較為昂貴，不適合普通家庭使用[7]。基于此，我們設計了一種便攜式基于PPG的HRV分析系統，以期用于家庭和醫院的日常監護。
1 系統整體設計
該系統的設計基于高集成度和低功耗的STM8L101F3P6單片機，該款單片機的尺寸僅有3 mm×3 mm，供電范圍為1.65～3.6 V，低功耗模式下的工作電流僅有0.8 μA[8]。單片機的I/O端口驅動光頻轉換器工作，測試者將手指放入其中，系統開始工作，單片機將采集到的脈搏波數據通過USB轉串口芯片FT230發送給上位機軟件，可以方便醫生在電腦上對PPG信號進行記錄和分析[9]。本系統的設計充分考慮了功耗、尺寸以及成本等方面的要求，方便用戶的使用和攜帶，具有以下特點：
(1) 便攜式。比傳統的脈搏波檢測儀還要微型，長度大約為5 cm,寬度僅有1角硬幣直徑大小，便于使用者攜帶，硬件系統的實物圖如圖1所示。
圖1
系統實物圖
Figure1.
Photograph of the hardware system
(2) 低功耗。直流電源采用3 V的電壓給系統供電時，平均電流僅有11.6 μA。
(3) 操作簡單。使用者只需將該系統的USB端口插在電腦上，然后再打開上位機軟件，就可以清楚地觀察采集到的脈搏波波形。
(4) 采樣頻率為500 Hz。由于后期要對PPG信號作HRV分析，而心電信號的采樣頻率要求較高，所以設定500 Hz采樣頻率能夠很好地保證脈搏波信號記錄的準確性和完整性，保證信號在不失真的基礎上還可進行HRV分析。
2 硬件設計
2.1 系統結構
這一部分主要包括光頻轉換模塊、核心控制模塊、USB轉串口模塊、電源模塊以及上位機軟件模塊。系統的結構框圖如圖2所示。
圖2
系統結構框圖
Figure2.
Block diagram of the system
上位機除了充當系統的終端外，還為整個系統提供電力供應。上位機給整個系統提供5 V標準電壓，然而各模塊供電范圍有限制，因此需要先進行電壓轉換。電源模塊的核心是TI公司的TLV70033芯片，它是一款低壓差線性穩壓管理器，可固定輸出電壓3.3 V，尺寸小，價格低廉，在眾多電子產品開發中被廣泛使用[10]。
2.2 光頻轉換器原理
人體手指端的脈搏波信號由光頻轉換器采集，光頻轉換器的采集原理如圖3所示。
圖3
光頻轉換器工作原理
A：電平輸入端；B：電平輸入端；C：脈沖輸出端
Figure3. Working principle of the optical frequency converterA: level input; B: level input; C: pulse output
單片機的I/O端口驅動A、B兩端口，端口A為高電平、端口B為低電平時，近紅外發光二極管被點亮；端口A為低電平、端口B為高電平時，紅色發光二極管被點亮。人體的手指放在發光二極管和光接收板之間，心臟跳動時會引起血液濃度改變，間接影響光接收單元接收到的光強的大小。光接收單元將接收到的光強轉化為電脈沖頻率。使用單片機的定時器捕獲功能可以從C端捕獲到電脈沖，通過測量相鄰兩個上升沿的時間可以得知某點脈沖的頻率，而該頻率就反映了該點接收到的光強的大小。
2.3 核心控制及定時器捕獲模塊
這一部分主要由ST公司出品的STM8L101F3 P6單片機構成，實現電路系統控制。單片機外圍電路如圖4所示。該單片機的主要特點是16位通用定時器，16-MHz內部RC時鐘源，自動喚醒模塊。16位通用定時器。系統的主時鐘是由16-MHz內部高速RC時鐘源產生的，可以被可編程分頻計進行分頻處理以滿足系統需要。自動喚醒模塊可以用來將系統從待機模式中喚醒，為系統低功耗的實現提供了可能。
圖4
單片機外圍電路
Figure4.
MCU configuration
2.4 MCU程序設計
在單片機程序設計方面，考慮到低功耗的要求，系統上電完成初始化之后將會檢測是否有用戶在使用，若沒人使用，系統將進入低功耗模式；若有人使用，電路板上的綠色指示燈將會閃爍，同時單片機按照500 Hz采樣頻率進行PPG信號的數據采集。這里之所以設置采樣頻率為500 Hz是為了與心電信號的采樣頻率保持一致，以便后期進行HRV的分析研究。采樣時間設置為5 min同樣也是為了滿足臨床HRV標準。采樣結束后，綠色指示燈熄滅，系統重新進入低功耗模式，等待用戶的再次使用。系統的軟件流程圖如圖5所示。
圖5
軟件流程圖
Figure5.
Flow diagram of the software
3 系統調試和實驗結果
將系統的USB接口插到PC機上就會自動實現上電復位，打開串口調試助手軟件，找到相對應的COM端口，然后打開串口就可以接收到硬件系統發送來的PPG數據，我們截取了一段采集到的PPG數據如表1所示，數據的幀頭統一為0xF5，0x0A，后面緊跟的8位是紅光PPG數據，最后8位是近紅外光PPG數據。
表1
PPG數據
Table1.
Data of the PPG signal
我們采用Delphi編程工具編寫了一個用戶界面。采集到的紅光和近紅外光的波形圖如圖6所示。
圖6
PPG信號波形圖
Figure6.
Waveform of the PPG signal
我們可以看出波形總體效果較好，但是有一定的基線漂移，這是由于人體的呼吸等因素造成的，所以后期進行HRV分析時需要先對數據進行形態學濾波處理。
4 總結
在移動便攜式醫療中，人們一直希望找到一種在不犧牲信號質量的前提下盡可能減少儀器尺寸和重量的方法，最終使患者感覺不到監測儀器的存在和正在發生的生理信號采集[11]。本系統的設計以低功耗、便攜式和大容量實時存儲為目標，采用低功耗的STM8L101F3P6單片機，通過硬件選擇和軟件程序優化來完成低功耗高質量的PPG信號采集和存儲，真正實現了低功耗、微型化、便攜式和長期心電監護的目標。隨著無線通訊技術的發展，以后基于藍牙、WiFi的便攜式醫療設備相信會得到更為廣泛的應用。
